Политех в Сети

Сайт для Учебы

Мюонный катализ

Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 

Мюонный катализ – явление синтеза ядер изотопов водорода при Нормальных Условиях, происходящее при участии Мюонов.

Мюоны, образуя с ядрами мезомолекулы, способствуют сближению ядер на расстояния, достаточные для протекания ядерной реакции. Освобождаясь после акта реакции, могут повторить этот процесс, т. е. они выступают в качестве катализатора.

В отсутствие мюонов реакции синтеза, например, ядер дейтерия

Или ядер дейтерия и трития

,

Происходят с заметной вероятностью лишь при КЭВ высоких энергиях Е сталкивающихся частиц, , т. е. при температурах в десятки и сотни млн. градусов, поскольку ядрам нужно путем туннельного перехода преодолеть высокий барьер кулоновского отталкивания, чтобы сблизиться до расстояний действия ядерных взаимодействий (). (рис. )

1 – сильное притяжение на малых расстояниях ;

2 – кулоновское отталкивание на больших расстояниях;

3 – взаимодействие ядер в мюонной молекуле, имеется область притяжения при .

Рис.

Схематическое изображение потенциальной энергии U взаимодействия ядер в зависимости от расстояния R между ними.

При торможении в плотной смеси изотопов водорода за время 10-12 с образуются мюонные атомы . Из-за малых размеров и электронейтральности мезоатомы водорода ведут себя подобно нейтронам: они свободно проникают сквозь электронные оболочки и подходят на близкие расстояния к их ядрам. При этом происходят многообразные -атомные и -молекулярные процессы: перехват ядрами более тяжелых изотопов , ; образование мюонных молекул

и т. д.

Образование мюонных молекул является решающим условием протекания мюонного катализа. В принципе (благодаря экранировке кулоновского поля ядра мюонов в мезоатоме водорода и значительному уменьшению ширины кулоновского барьера) реакции синтеза могли бы протекать на лету, т. е. при столкновениях свободных мезоатомов с ядрами изотопов водорода . Однако в мюонных молекулах ядра удалены друг от друга на расстояние порядка удвоенного боровского радиуса мезоатома , что в сотни раз меньше расстояний между ядрами в жидком и газообразном водороде (). Поэтому частота столкновений ядер, приводящих к подбарьерному переходу, и реакций синтеза в мюонных молекулах в 10 раз больше, чем в реакциях на лету. При торможении в смеси изотопов водорода мюонные атомы (мезоатомы) и .

Их существование было предсказано американским физиком Дж. Уилером в 1949 году. Радиусы мезоатомов в невозбужденном состоянии , где Z – заряд ядра, а M приближенно равно отношению массы мезона к массе электрона.

Наиболее изучены мезоатомы, состоящие из ядра водорода и , , или . Такие мезоатомы подобно нейтронам могут свободно проникать внутрь электронных оболочек других атомов, приближаться к их ядрам, образовывать Мезомолекулы.

В мезоатомах мезоны расположены в сотни раз ближе к ядру, чем электроны. , радиус ближайшей к ядру орбиты в мезоатомах свинца в 2 раза меньше, чем радиус ядра свинца, т. е. в мезоатомах свинца основную часть времени проводят внутри ядра. Это позволяет использовать свойства мезоатомов с для изучения формы и размеров ядер, а также для изучения распределения электрического заряда по объему ядра.

Образование мезоатомов происходит при торможении мезонов, получаемых в мишени. Захват на мезоатомную орбиту сопровождается выбросом одного из атомных электронов, обычно внешнего. Например, если пучок направить в камеру с жидким водородом, то они постепенно теряют свою энергию в столкновениях с атомами водорода, пока их энергия не станет „1 кэВ. При этом, если они подходят близко к ядру атома водорода и образуют с ним электрический диполь, поле которого не в состоянии удержать атомный электрон, то атом водорода теряет свой электрон, а – остается связанным с ядром (протоном, дейтроном, тритоном). Как правило все мезоатомы образуются в высоковозбужденных состояниях. Переходя в менее возбужденное, освобождают энергию в виде -квантов (мезонное -излучение) или же – электронов.

Из-за малых размеров и электронейтральности мезоатомы водорода ведут себя подобно нейтронам: они могут свободно проникать через электронные оболочки атомов и подходить на близкие расстояния к ядрам других атомов.

В мюонных молекулах ядра удалены друг от друга на расстояния , что в сотни раз меньше средних расстояний между ядрами в жидком и газообразном водороде. Поэтому в таких молекулах вероятность слияния ядер, например, по реакциям

,

В 106 больше, чем при столкновении -атома с ядром по реакции . Освободившийся вновь может образовать мезоатом и повторить еще раз всю цепочку реакций и т. д. Число таких реакций ограничено лишь временем жизни мюона (). Однако, в действительности почти всегда мюон в процессе реакции «прилипает» к образовавшемуся ядру . и дальше не участвует в цикле последовательных реакций.

Эта реакция «отравления катализатора» не столь существенна при синтезе ядер дейтерия.

,

В которой только 12% мюонов прилипают к ядру по реакции

.

Впервые на возможность каталитической реакции указал Ф. Франк (США, 1947), Б. Зельдович в 1959 г. выполнил первые расчеты этого процесса, а в 1957 г. американский физик Л. Альварес наблюдал его экспериментально.

В 1977 в результате теоретических расчетов было обнаружено существование у мезомолекулы слабосвязанного состояния с энергией эВ. Благодаря наличию такого состояния мезомолекулы должны образовываться резонансным образом с большой скоростью (в конденсированной среде за время … с). Этот вывод был подтвержден экспериментально в лаборатории ядерных проблем ОИЯИ (Дубна). Так как вероятность прилипания к , образовавшемуся в реакции составляет 1%, то один в плотной смеси и может осуществить (170) актов катализа и освободить при этом (3) ГэВ энергии и (170) нейтронов. Сейчас изучаются возможности практического использования этого явления для получения ядерной энергии.

Вывод о высокой эффективности мюонного катализа в дейтерий-тритиевой смеси позволил рассмотреть различные возможности использования этого явления для Производства ядерной энергии и Нейтринов. Первую схему мюоннокаталического гибридного реактора рассмотрел Ю. В. Петров в 1979 г. Предлагается увеличивать энерговыделение в реакции путем дальнейшего размножения нейтронов с энергией 14,1 МэВ в урановом бланкете при делении ядер урана, , и образования ядер плутония, . Предварительные оценки показывают, что такая гибридная система может оказаться экономически эффективной в ядерной энергетике будущего. Интенсивные исследования мюонного катализа продолжаются во многих лабораториях мира.